最新的光耦合器的核心是輸入LED和輸出光偵測器,二者是由一個光傳導媒介(也可提供電氣絕緣功能)或額外的光傳導介電層所隔開。光偵測器可以是光電晶體管、光電二極管加晶體管、或整合的偵測器/邏輯集成電路。大部份的光耦合器都必須依照UL1577、CSA和IEC/DIN EN/EN 60747-5-2的基本安全標準進行認證。

在某些應用中,提高一個封裝內的光耦合器數量,有助于降低制造成本及節省印刷電路板的空間。以計算機系統為例,在一個封裝內整合2個以上的光耦合器信道,可大幅減少并行接口與串行接口(如RS232/485/422、SPI(串行周邊接口)和I2C總線)的零件使用數量及電路板空間。多信道光耦合器為工業、電子量測及醫療系統的PLC(可編程邏輯控制器)、Fieldbus接口和數據采集,以太網供電(POE)和網絡電路板等通信應用,以及等離子顯示面板和其它消費類設備提供了相同的優點。

以往試圖將多個光耦合器整合到單顆DIP/表面貼裝而進行的工程,已被證實是一大挑戰。主要的問題來自于各種封裝工藝的結合及LED裸片(Dice)的向前發射特性。其中的一些困難包括:

1. 制造步驟變得更多且更復雜；

2. 在光耦合器的信道間會出現輕微的泄漏/串音；

3. 因為絕緣材料的配置困難導致需要增加IC芯片的數量；

4. 基于引線框和封裝幾何學而需要非常大的封裝。

光耦合器的工運作必須依賴LED發射器傳到光偵測器的光線,當中會通過一個透明的媒介,它可提供2.5 kV到6 kV的高電壓絕緣。光線耦合的程度取決于光導的結構和透明度。光導材料本身或額外的光傳導介電材料,可提供絕緣效果。LED的排列、光導材料、介電材料和IC,會直接影響光耦合與高電壓絕緣的性能。一般而言,光耦合器的封裝與傳統IC的封裝很類似,差別在于必須透過特殊的工藝步驟和材料來形成光導,及達到高電壓絕緣需求。下列表格分別介紹各種不同的成型光耦合器制造技術,并說明特殊的材料、工藝與限制。

圖1:封裝成型光耦合器的雙模子工藝。

表1:雙模子工藝。

圖2:封裝成型光耦合器的介電配置工藝。

表2:介電配置工藝。

圖3:封裝成型光耦合器的平面工藝。

表3:平面工藝。

圖4:光耦合器的橫切面,其中LED直接堆放在光電探測器IC上。

圖5:雙模子、介電配置、平面與堆棧LED工藝的封裝高度。

圖6:傳統吸收基板向前發射LED與透明基板向后發射LED的橫切面比較。(點擊放大該圖)

表4:傳統LED與向后發射LED的差異。

在單信道光耦合器的雙模子工藝(double mold process)中,LED和IC裸片會被附著在兩個不同的引線框并進行引線接合,然后再利用焊接將兩個引線框結合在一起。當引線框焊接在一起之后,LED會正對著IC,并且位在IC上方。接著使用白色的光傳導化合物來鑄造結合的引線框以構成光導,如此就可將光線從LED傳到IC光偵測器。此白色化合物也能提供高電壓絕緣。最后,使用不透明的化合物來鑄造組件,以完成最后的封裝輪廓。

在介電配置工藝中,LED與IC的排列跟在雙模子工藝中一樣,但這次會在LED與IC之間使用硅樹脂來構成光導,而非使用白色化合物。此外,還會在LED與IC之間加入一個光傳導介電,以形成高電壓絕緣。最后,再以不透明的成型化合物來鑄造組件。

在平面工藝中,LED和IC必須位在同一個引線框的相同平面,并進行引線接合,然后加上一層透明的硅樹脂,以近似圓頂的形狀覆蓋在LED和IC上面。這層硅樹脂可提供光導。為防止光線漏出,必須在透明硅樹脂上再涂一層白色顏料,這樣LED發出的光將會反射到圓頂內的IC。最后再使用不透明的成型化合物來填充組件。

堆棧LED技術

圖4顯示一個光耦合器的橫切面,其中LED直接堆放在光電探測器IC上。這種堆棧LED方法的關鍵,在于向后發射的LED。

光電二極管芯片包含了兩個透明層:SiO2鈍化/絕緣層和光傳導聚醯亞氨層。LED利用一個透明連接層,牢牢附著在光電二極管上。IC裸片必須使用環氧化銀來附著在引線框上,介電材料須以光傳導環氧化物附著在IC上,而LED裸片則得用光傳導環氧化物附著在介電材料上。最后再對組件進行引線接合與鑄造。標準的裸片附著工藝可用來完成所有的配置,封裝則以一層不透明的成型化合物來鑄模。

堆棧LED的優點

高整合度:堆棧LED技術使用傳統的IC組裝設備,大幅提升封裝的能力和彈性。基本上,在任何的整合封裝內都可插入發射器-偵測器芯片組。

減少制程步驟:這種方法所需的工藝步驟較少,因此是比較有效的制造方法。

小巧超薄的封裝:封裝的總高度完全取決于IC、LED、超薄的聚醯亞氨、及LED引線接合高度的整個組合的厚度。

圖5比較了不同工藝的封裝高度。

向后發射LED

圖6顯示傳統的向前發射LED與透明基板向后發射LED的橫切面。表4描述了它們的特性。

對于向后發射的LED來說,必須將作用層置于透明基板上,讓組合物漸漸變成所需的波長。發光區是在晶圓工藝中定義的,裝置上的基板則會保持完整不變。

安捷倫在新系列的多信道和雙向15 MBd數字邏輯閘光耦合器中加入了堆棧LED結構。這個系列包含了二、三和四信道產品,主要采用小巧的8接腳(二信道為××)和16接腳三和四信道為××)SOIC封裝。

作者:Theng-Hui Kek,Leonard Tan

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